曾洪瑜，史翊翔，蔡寧生

（熱科學與動力工程教育部重點實驗室(清華大學能源與動力工程系)，北京市 海淀區(qū) 100084）

0 引言

伴隨著我國經濟的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們對于能源的需求不僅局限于數量方面，更存在于質量方面，要求具有更高的效率、更低的成本和更少的污染?！吨袊茉凑雇?030》報告指出，我國煤炭消費比重將有較大幅度下降，2020年、2030年煤炭占比分別為60%和49%，與此同時非化石能源快速發(fā)展，到2020年、2030年的占比將達到15%和22%[1]。近2年我國能源結構已開始轉型，可再生能源迅速增長，能源供應由集中化開始向分布式轉變[2]。

1978年，美國在公共事業(yè)管理政策法中提出分布式供能的概念并予以公布，至今已被國際社會廣泛認同[3]。相比于傳統(tǒng)的集中式供能方式，分布式供能提倡將發(fā)電系統(tǒng)以小規(guī)模(kW至MW量級)、分散式的方式布置在用戶附近，可獨立輸出熱、電、冷等能量[4-5]。這在一定程度上可以提高能源利用效率，減少燃料的浪費，減少輸配電的損失，經濟上可以降低土建和安裝成本、減少用戶能源成本，環(huán)境上可以減少二氧化碳和其他污染物的排放[6]。

常見的分布式能源發(fā)電裝置既包括以煤、石油、天然氣等傳統(tǒng)化石能源為基礎的發(fā)電裝置；又可以涵蓋生物質、太陽能、風能等可再生能源，促進能源發(fā)展朝向可再生和可持續(xù)的方向行進。

1 燃料電池用于分布式供能

燃料電池作為一種典型的發(fā)電裝置，可以通過電化學反應連續(xù)地將燃料和氧化劑中的化學能直接轉化為電能，相比傳統(tǒng)的燃燒發(fā)動機有以下優(yōu)勢：1）不受卡諾循環(huán)的限制，發(fā)電效率更高；2）沒有旋轉運動部件，機械損失小，噪音低；3）燃燒過程中產生的典型污染物，如 SOx，NOx以及顆粒物的排放基本為零，CO2等溫室氣體的排放低；4）燃料電池發(fā)電系統(tǒng)對負載變動的響應速度快，并且變負荷過程中發(fā)電效率波動不大，供電穩(wěn)定性好；5）體積小，結構簡單，維護便利，更加適用于小型的分布式供能系統(tǒng)。

根據電解質類型的不同，燃料電池通常可分為堿性燃料電池(alkaline fuel cell，AFC)、磷酸燃料電池(phosphoric acid fuel cell，PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(molten-carbonate fuel cell，MCFC)、固體氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell，SOFC)及質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)[7]。其中，PEMFC主要由聚合物材料構成，一般工作在60~100 ℃，采用純氫作為燃料，功率密度高，具有良好的啟停能力，是目前發(fā)展最為廣泛，技術比較成熟的一類燃料電池。SOFC主要由陶瓷材料構成，一般工作在 600~1 000 ℃，無需貴金屬催化劑，燃料適應性廣，可以采用多種碳氫燃料，在發(fā)電的同時產生大量高品位的熱能，在小型熱電聯供系統(tǒng)中極具應用前景[8]。

日本京瓷公司從 2004年起開始開發(fā)基于燃料電池的家用微型熱電聯供系統(tǒng)，于2011年推出首個商業(yè)化系統(tǒng)ENE-FARM type S，到2016年累計安裝量已達到257 000臺[9]。2014年日本首相安倍晉三在“振興日本戰(zhàn)略”內閣決策中提出：到2030年日本將會有530萬部家用燃料電池投入使用，約占日本家庭總數的 10%。對于 ENEFARM 系列中愛信精機制造的典型的 700 W SOFC家用熱電聯供系統(tǒng)，其發(fā)電效率可達到46.5%，熱電總效率可達90.0%，遠高于傳統(tǒng)的集中式供電供熱系統(tǒng)。

美國 Bloom Energy公司自 2008年 7月向Google出售第一臺100 kW的SOFC系統(tǒng)“Energy ServerTM”，主要產品有ES5、ES-5700、ES-5710等，目前的顧客涵蓋Walmart、可口可樂、AT&T、Ebay、Adobe、FedEX、亞馬遜、蘋果等大型公司。同時他們準備將燃料電池技術引進數據中心，預計在2019年完成為12個美國數據中心提供電力的目標。

歐洲ene.field工程自2012年啟動以來，聯合27家單位，到2017年，在12個歐盟成員國累計安裝 1 046臺家用微型燃料電池熱電聯供系統(tǒng)[10]。該項目工程主要基于 SOFC和 PEMFC，開發(fā)了數十款適用于歐洲普通家庭的微型熱電聯供系統(tǒng)。其中以SOFC為基礎的共計603臺，以PEMFC為基礎的共計 443臺，相關技術參數見表1[10]，部分裝置可實現高達60%的發(fā)電效率和95%的系統(tǒng)總效率。

表1 歐洲ene.field工程產品參數Tab. 1 Operating parameters for ene.field project in Europe

上述燃料電池的商業(yè)化示范充分說明了該技術發(fā)展的潛力和可行性，在節(jié)能減排方面具有很大優(yōu)勢。燃料電池的體積小、效率高、清潔無污染等特點，使其在分布式能源系統(tǒng)中極具應用前景。一些燃料電池，諸如高溫SOFC、MCFC，可以直接采用固體碳作為燃料，應用到分布式能源系統(tǒng)中，有望解決我國在散煤利用過程中出現的效率低、污染重的問題。利用家用天然氣，燃料電池可在離網條件下實現電能的持續(xù)供應，具有較高的發(fā)電效率，同時利用發(fā)電過程中產生的熱量提供給用戶，實現能源的梯級利用。結合可再生能源的分布式供能，還可利用“三棄”電力，通過燃料電池的逆過程將電能加以儲存，在電力短缺的時候提供給用戶，實現削峰填谷的作用。無論是在傳統(tǒng)化石能源領域，還是新興發(fā)展的可再生能源領域，燃料電池都有其獨特的優(yōu)勢，同時可作為傳統(tǒng)能源向新能源發(fā)展的橋梁。

2 燃料電池在分布式供能中的應用

2.1 直接碳燃料電池的分布式供能

我國作為一個煤炭大國，超過一半的能源供應來自于煤炭，因此煤炭的清潔高效利用對于滿足我國能源需求和減緩環(huán)境污染問題具有重要意義。目前，我國煤炭集中利用的比例仍然較低，電力行業(yè)耗煤量僅為煤炭總消費量的50%左右，遠低于美國93%、英國80%、德國80%、日本90%的水平[11]。散煤的利用帶來了更加嚴重的污染，同時更接近人群，給人民生活水平和健康帶來了嚴重的影響。結合我國的實際國情，一方面需要提高我國煤炭集中利用的占比，與此同時，清潔高效地利用散煤和部分劣質煤，對于緩解能源形勢，解決環(huán)境污染問題也至關重要。

直接碳燃料電池(direct carbon fuel cell，DCFC)以固體碳為燃料，可以將碳燃料的化學能直接轉化為電能，被國際能源署列為21世紀最具前景的4種先進煤炭利用技術之一[12]。在直接碳燃料電池中，碳與氧氣的反應(C+O2=CO2)熵變僅為2.5 J/(K?mol)，其理論效率接近100%，同時，由于反應物C與產物CO2分別以固、氣兩相存在，其燃料利用率可達 100%[13]。相比普通燃煤發(fā)電系統(tǒng)，直接碳燃料電池在散煤利用方面更占優(yōu)勢，氮氧化物、硫氧化物、顆粒物的排放很低。同時，其燃料適應性強，不僅可使用碳黑作為燃料，還可采用煤炭、生物質、生活垃圾等進行發(fā)電。陽極出口為高濃度的CO2，有利于CO2的富集與減排，無需一般CO2捕集過程中所需的能耗。

直接碳燃料電池按電解質的不同可分為熔融碳酸鹽電解質DCFC、熔融氫氧化物電解質DCFC和固體氧化物電解質 DCFC。其中，熔融碳酸鹽電解質DCFC中，CO2不會對電池造成污染，且CO2與 CO32-轉化較為容易，具有良好的熱穩(wěn)定性和相對較高的離子電導率，在目前研究中相對成熟。但是由于熔融碳酸鹽在高溫下的腐蝕性較強，其高溫密封要求高。熔融氫氧化物電解質DCFC具有更高的電流密度和反應活性，反應溫度更低，但是在反應過程中氫氧化物會與CO2反應生成碳酸鹽，導致電解質的失效。固體氧化物電解質不存在液體電解質所面臨的腐蝕、泄漏和污染問題，對碳燃料的要求相對較低，有望實現電池規(guī)模的擴大。

美國通用電氣公司、CellTech Power公司[14]等提出以液態(tài)金屬作為固體氧化物電解質 DCFC的陽極，工作原理如圖1所示。陰極電化學反應產生的 O2-通過固體氧化物電解質傳導到陽極側，在三相界面處與金屬M發(fā)生氧化反應，生成金屬氧化物，然后通過反應將金屬氧化物還原為金屬。

圖1 液態(tài)金屬陽極SO-DCFC原理示意圖Fig. 1 Schematic diagram for liquid metal anode SO-DCFC

液態(tài)金屬燃料電池采用液態(tài)金屬作為陽極，將傳統(tǒng)的固-固接觸改變?yōu)橐?固接觸，有利于物質的輸運，在增大碳燃料反應界面的同時避免了雜質對于孔隙結構的堵塞問題。液態(tài)金屬所提供的溫度場更加均勻，避免了陽極內部局部超溫的出現。同時，金屬作為電子導體，可直接用于集流，降低了陽極集流難度。液態(tài)金屬密度較大，工作過程中形成的灰渣等漂浮于液態(tài)金屬表面，除渣便利。另外，液態(tài)金屬可同時作為一種儲能介質，在無燃料情形下可以仍然保持短期運行，在固體燃料輸送中斷或啟停條件下起緩沖作用，保證電池的穩(wěn)定性，此種運行模式稱為“電池模式”[14]。

因此，利用直接碳燃料電池技術，既可以實現對散煤、生物質、甚至固體垃圾的分布式利用，同時有望在提升燃料利用效率、緩解環(huán)境污染、降低溫室氣體排放等方面有所突破。

2.2 基于天然氣的燃料電池熱電聯供系統(tǒng)

從2009年起，我國天然氣消費量開始快速增加，天然氣的消費進入新階段。2016年，我國天然氣消費量增加7.7%，對外依存度達到34.2%。由于我國天然氣資源匱乏，而消費量卻在日益增加，因此如何高效地利用天然氣，對于緩解我國天然氣短缺的壓力，具有重要意義?；谔烊粴夤W絡，燃料電池熱電聯供系統(tǒng)更加適合與當前快速發(fā)展的智能電網相結合，可用于補償可再生能源電力波動中存在的問題[15]。

在傳統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)中，考慮到沒有利用的排氣廢熱和傳輸損失，實際發(fā)電效率一般在30%~45%。然而在實際應用中，用戶終端大約有64%左右的電能用于供熱或供冷[16]?；谌剂想姵氐奈⑿蜔犭娐摴?micro-combined heat and power，m-CHP)系統(tǒng)可實現能源的梯級利用，具有較高的熱、電效率，系統(tǒng)效率可達到85%~90%，同時具有污染物和溫室氣體排放少，噪音低等優(yōu)點，系統(tǒng)環(huán)境友好，CO2排放僅為傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的30%~50%，同時可以降低環(huán)境電力高峰負荷，提高供電的安全性[17]。

一個典型的燃料電池熱電聯供系統(tǒng)主要包括燃料處理模塊、燃料電池模塊、熱管理模塊和電力轉換模塊。圖2為系統(tǒng)簡單示意圖，天然氣通過燃料處理模塊重整為富氫氣體，通入到燃料電池陽極，空氣經過空氣預熱器加熱后通入燃料電池陰極。燃料電池中發(fā)生電化學反應，產生的直流電經過電力轉換模塊，即電源轉換器轉換為交流電，以供用戶使用。燃料電池陽極和陰極的尾氣進入到尾部燃燒器中進行完全燃燒，產生的熱量一部分供給燃料重整器和空氣預熱器，其余通過熱交換器轉換為用戶所需的熱量，用于供熱水或供暖。除此之外，一般還需相關輔助控制模塊，包含系統(tǒng)控制、氣體回流系統(tǒng)、閥門、泵、氣體凈化裝置等，用于調控和監(jiān)測整個系統(tǒng)；同時，許多系統(tǒng)還會配備相應儲能模塊或蓄電池，用于啟動和儲存多余能量，保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

圖2 燃料電池微型熱電聯供系統(tǒng)示意圖Fig. 2 Schematic of micro-combined heat and power system using fuel cell

燃料重整器是燃料電池熱電聯供系統(tǒng)中的一個重要部件，天然氣經過燃料重整器轉變?yōu)楹铣蓺饣蚋粴錃怏w，以供燃料電池陽極作為燃料。對于高溫 SOFC，盡管可以通過直接內重整實現甲烷的轉化，不需要外部重整器，但容易出現陽極積碳、性能衰減等問題。目前常用的天然氣重整方式有水蒸氣重整法、部分氧化法和自熱重整法[18]。蒸汽重整是目前應用最為廣泛的技術，具有出口氫氣濃度高、成本低、生產效率高等特點，但由于蒸汽重整反應 CH4+H2O?CO+3H2是一個強吸熱反應(反應熱為206 kJ/mol)，需要額外的熱管理和水供應裝置，啟動時間較長，一般用于長時間穩(wěn)定工作。部分氧化重整是指天然氣與氧氣發(fā)生部分氧化反應 CH4+O2?CO+2H2，產生H2和CO。該反應是一個微放熱反應，反應速率快，響應迅速，裝置體積小，結構緊湊，成本低廉，但產物中H2的含量較水蒸氣重整要低。自熱重整通常結合部分氧化重整與蒸汽重整的優(yōu)勢，利用部分氧化反應過程中產生的熱量為蒸汽重整反應提供部分熱量，降低反應所需額外熱量。

對于燃料電池模塊，膜電極是燃料電池的“心臟”，目前在熱電聯供系統(tǒng)中發(fā)展較為成熟的主要是PEMFC和SOFC。PEMFC根據工作溫度的不同又可分為低溫 PEMFC和高溫 PEMFC。低溫PEMFC工作在60~120 ℃，需要較為復雜的水管理系統(tǒng)，同時對重整后陽極燃料中CO濃度要求高。CO濃度超過一定值(約10-5)可能導致Pt催化劑失效。為了緩解這一問題，人們通過提高溫度和改善電極、電解質材料，將PEMFC工作溫度提升至200 ℃，可以容忍5%左右的CO[16]。而對于SOFC，由于不采用貴金屬Pt催化劑，且反應溫度高，可以采用 CO或其他碳氫燃料。SOFC工作過程中產生的高品位熱能可進一步加以利用，同時可與燃氣輪機(gas turbine，GT)結合，構成SOFC-GT聯合循環(huán)[19]，進一步提升發(fā)電效率。

燃料電池熱電聯供系統(tǒng)通常有2種模式：一種是以熱定電，整個工況由建筑物所需的熱量控制；另一種是以電定熱，用戶所需的電力更多，主要由電力需求決定產熱量。

總的來說，基于天然氣的燃料電池熱電聯供，既可以充分實現小型化和緊湊化，滿足單個家庭的用熱用電需求(<10 kW)，又可以在一定程度上擴大規(guī)模，使用在商業(yè)區(qū)或小型工業(yè)區(qū)，滿足更高負荷的熱電需求(200 kW~2.8 MW)[16]。采用燃料電池熱電聯供系統(tǒng)，既可以提升天然氣的使用效率，降低污染物的排放，實現CO2減排，同時在保障用戶用電安全性和降低用熱、用電成本方面也獨具優(yōu)勢。

2.3 與可再生能源融合的分布式能源系統(tǒng)

當今社會對于環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的呼聲越來越高，可再生能源正逐步發(fā)展為我國的重要能源，到 2030年可再生能源的比重預計超過20%。但在利用過程中，可再生能源存在能量密度低、不穩(wěn)定、不連續(xù)等問題，很多時候難以并網。2016年，我國水電棄電量達到501億kW?h，其中四川、云南分別棄水 164億 kW?h，315億kW?h；風電棄電量共計 497億 kW?h，主要分布在“三北”地區(qū)；太陽能發(fā)電棄電量為74億kW?h，其中西北五省棄光68.4億kW?h?！叭龡墶眴栴}的解決任重而道遠。由于可再生能源分布廣泛且分散的特點，使其更加適用于分布式能源網絡中。同時，儲能設備對于可再生能源的可靠性和穩(wěn)定性至關重要[20]。

可逆燃料電池可以在同一裝置上實現水甚至CO2的電解(充電)和燃料電池發(fā)電(放電)2種功能，起到一種類似儲能電池的作用。應對可再生能源多余電力，可逆燃料電池可在電解模式下將電能轉化為容易儲存的燃料，在電力緊缺時再通過電化學反應產生電能，供用戶使用。與普通蓄電池相比，可逆燃料電池不存在由于自放電而產生的能量損失問題，具有能量密度大，放電迅速等優(yōu)點。同時可以在高壓下電解，因而不需要機械壓縮便能形成高壓儲氣。值得注意的是，對于高溫固體氧化物電解池(solid oxide electrolyzer cell，SOEC)，不僅可以電解水，還可通過電化學轉化電解CO2，一方面可以有效轉化和儲存多余的可再生能源電力，用于制取合成氣、烴類燃料以及氧氣等，另一方面可以有效推動CO2的捕集與利用，是一條可同時緩解能源危機和環(huán)境問題的有效途徑[21]。

根據電解質所傳導載流子的不同，SOEC可以分為氧離子導體電解池和質子導體電解池。對于質子導體電解池，水蒸氣在空氣極裂解成氫離子和氧氣，氫離子在電解電壓作用下穿過電解質傳輸到燃料極，生成H2。對于氧離子導體電解池，水蒸氣在燃料極催化裂解，形成氫氣，同時產生氧離子，受到外電壓的作用，氧離子穿過電解質在空氣極氧化成O2。同樣，反應還可以實現CO2電解或 H2O和 CO2共電解，實現 CO2的資源化利用。

通過SOEC可將可再生能源與天然氣管網耦合，實現分布式能源系統(tǒng)中電制氣儲能技術，進而實現能源系統(tǒng)中天然氣與電能之間的雙向流動[22]。經過燃料電池逆過程，可以將可再生能源無法消納的電力通過電解轉化為化學能，實現儲能，同步實現CO2減排。

3 結論與展望

分布式供能系統(tǒng)具有能源效率高、可靠性好、輸電損耗小等優(yōu)點，在可再生能源不斷發(fā)展的今天具有極大的發(fā)展前景。燃料電池技術用于分布式供能，不受卡諾循環(huán)的限制，發(fā)電效率更高，污染物和溫室氣體排放低，供電穩(wěn)定性好，既可以有效利用傳統(tǒng)化石能源，解決散煤燃燒污染問題，通過燃料電池熱電聯供系統(tǒng)進一步提高我國天然氣的燃料利用效率，同時可結合可再生能源，實現“三棄”電力的儲能和轉化，是未來能源發(fā)展的有效途徑。

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